災(zāi)后救援仿生機器人設(shè)計＊

北京科技大學(xué)天津?qū)W院 厲登敏 朱永遠 張偉

對于一些自然災(zāi)害產(chǎn)生后，傳統(tǒng)式救援方法效率不高、非常容易引起二次傷害的狀況，融合復(fù)雜的地勢環(huán)境與生物在繁雜地貌中機動靈活的特性，設(shè)計了一種用以災(zāi)后救援的仿生機器人，它主要是由遠程監(jiān)控站和機器人本身構(gòu)成。遠程監(jiān)控站關(guān)鍵承擔(dān)接受機器人送回的救援現(xiàn)場畫面，遠程監(jiān)控和遙控機器人的下一步工作。機器人的核心由運動控制系統(tǒng)、感應(yīng)器采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)等構(gòu)成。各系統(tǒng)之間相互配合，并根據(jù)效仿貓的運動特點，實現(xiàn)在窄小室內(nèi)空間和繁雜地勢環(huán)境下迅速找尋生還者、精準(zhǔn)定位和傳回有效信息的作用。該災(zāi)后救援仿生機器人具備靈便、即時通訊的特點，可以協(xié)助進行救援工作，具備一定的實用價值和行業(yè)應(yīng)用價值。

1 研究意義和背景

我國是世界上自然災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家之一[1]。隨著災(zāi)難發(fā)生次數(shù)增多，其嚴(yán)重性、多樣性和復(fù)雜性也逐漸增加，按照黃金72h的救援原則，救援時間十分緊迫，救援人員需要在短的時間內(nèi)超負荷工作。由于過度疲勞引起的工作效率下降以及救援空間狹小，隨時可能會發(fā)生二次災(zāi)害使救援環(huán)境變得更加嚴(yán)峻，這些問題都給救援者帶來了巨大的困難及挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)的人力搶險救援，災(zāi)后救援仿生機器人擁有堅硬的外表和靈活的身軀，具備高強適應(yīng)性。與此同時，機器人具有的定位被困人員的準(zhǔn)確位置和實施傳輸畫面等強大功能，也使得其能夠更加高效、精準(zhǔn)、安全以及全面的參與各種救援行動。因此，災(zāi)后救援仿生機器人的存在可以減少一些不必要的危險。

在我國抗災(zāi)機器人和仿生學(xué)科學(xué)研究啟動比較晚，但十分受重視。例如，我國“863”方案支持地震救援輔助機器人的開發(fā)等。中國各高校、科學(xué)研究院所、企業(yè)單位等都開展了充分的科學(xué)研究，近些年獲得了較大進步。2017年，我國國家科技部在《“十三五”公共安全科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》中明確指出要獨立開發(fā)救援機器人作為關(guān)鍵高新科技裝備，并給予很多收益支持和現(xiàn)行政策具體指導(dǎo)[2]。在這樣的情況下，中國救援機器人產(chǎn)品研發(fā)逐漸迎來運用的高峰時段。在這段時間，消防安全機器人和無人飛機慢慢在消防領(lǐng)域得到運用；此外，地震救援機器人也在四川得到應(yīng)用；我國由北京理工、沈陽市自動化技術(shù)研究室、西安科技大學(xué)等單位共同開發(fā)的礦井機器人也成功得到使用；水下機器人也伴隨著“潛龍?zhí)枴毕盗袡C器人的運用取得了較大發(fā)展?？偟膩碚f，在現(xiàn)行政策、要求等層面的不斷支持下，伴隨著人工智能技術(shù)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等新技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在援救機器人領(lǐng)域發(fā)展前景非常廣闊。

2 救援仿生機器人硬件系統(tǒng)

2.1 機械結(jié)構(gòu)

災(zāi)后復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，為救援機器人帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了使機器人能夠順利通過崎嶇的、含有不規(guī)則障礙物的道路，其應(yīng)該具有較強的穩(wěn)定性、靈活性、持續(xù)續(xù)航能力、越障能力等性能。因此，基于對動物貓的仿生觀測實驗數(shù)據(jù)，綜合其身體結(jié)構(gòu)、行走機理以及整體穩(wěn)定性等性能，構(gòu)建了一種救援仿生四足機器人。機器人機械本體由機身結(jié)構(gòu)、頭部結(jié)構(gòu)、尾部結(jié)構(gòu)減震和腿部結(jié)構(gòu)四部分組成共有11個自由度，其中腿部共有8個自由度，多個自由度可以顯著提高機器人運動靈活性，并通過控制各個關(guān)節(jié)的擺角調(diào)整腿部姿態(tài)和機體重心，達到機器人穩(wěn)定的目的，不易發(fā)生側(cè)翻。因為足式機器人的機體和地面是分離的，所以不管路面情況復(fù)雜程度和腿部支撐點位置機器人都可以保持機體穩(wěn)定移動，并且運動系統(tǒng)具有主動效果[3]。

2.2 運動控制系統(tǒng)

2.2.1 四足運動步態(tài)

四足機器人是一個復(fù)雜的多關(guān)節(jié)型機器人，要對其實施有效的控制，除了要對全身的多個驅(qū)動關(guān)節(jié)進行準(zhǔn)確高效地控制外，各腿之間還要相互協(xié)調(diào)，共同完成行進任務(wù)。然而各腿之間運動空間的相互重疊、相互干擾，使得控制模型相對復(fù)雜。

依據(jù)貓的行走規(guī)律，對機器人進行了合理的步態(tài)規(guī)劃?；谏锏男袨樘匦裕⑦\動學(xué)模型，將機器人分為前進速度、跳躍高度以及姿態(tài)角度三個部分進行分解控制，并且在一個運動周期內(nèi)步態(tài)分為初始狀態(tài)、運行狀態(tài)、調(diào)整狀態(tài)、運行狀態(tài)、調(diào)整狀態(tài)。比如當(dāng)機器人前進時，任何時刻都至少有三條腿支撐于地面，每次僅有一條腿抬起，四條腿依次擔(dān)任飛行腿，周期性的完成前進過程[4]。

2.2.2 仿生四足機器人運動控制

運動控制系統(tǒng)是機器人實現(xiàn)自身功能的關(guān)鍵所在。災(zāi)后救援仿生機器人由超聲波測距模塊、GPS定位模塊、電機驅(qū)動模塊和MPU6050模塊組成。超聲波測距模塊用于測距發(fā)現(xiàn)障礙物，為避障功能提供數(shù)據(jù)。此模塊安裝于眼睛處，與頭部兩個自由度相結(jié)合，從而實現(xiàn)最大限度地獲取周圍情況，為搜救機器人規(guī)劃路徑提供準(zhǔn)確的依據(jù)。GPS定位模塊的用途是實時獲取位置坐標(biāo)，對機器人行走軌跡進行跟蹤并且對受災(zāi)者的位置精準(zhǔn)定位。以HuaDuino板作為電機驅(qū)動模塊，其有12個舵機接口且自帶穩(wěn)壓模塊和電源管理模塊，可以為大量的自由度提供強勁平穩(wěn)的動力，從而更好的實現(xiàn)搜救任務(wù)。MPU6050可以追蹤機器人的運動狀態(tài)，使機器人能夠在復(fù)雜的地形上或者在受到外力作用時能夠自平衡。

2.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)是救援機器人認知周邊環(huán)境的關(guān)鍵。該傳感器系統(tǒng)主要由三大部分組成：紅外熱成像儀、ESP32-CAM攝像頭、氣體傳感器。災(zāi)后可能存在房屋倒塌等情況，機器人可以靈活的進入塌方下并且通過紅外熱成像儀檢測到被困住的傷員，由于紅外熱成像儀既能在完全無光的情況下檢測，還能夠在漆黑的夜晚或是大霧中開展探測，因此搭載此傳感器的機器人可以大大提高搜救效率，避免搜救遺漏。應(yīng)用ESP32-CAM攝像頭，可以使后臺的搜救人員能夠?qū)崟r觀測到塌方下的情況，為搜救人員做出快速準(zhǔn)確的搜救方案提供途徑，并且為機器人提供行進路線的指導(dǎo)。為了避免援救當(dāng)場存有有害或易燃易爆物品氣體，很有可能對救援人員的人身安全導(dǎo)致潛在性危害，在救援人員進到施工現(xiàn)場前，選用氣體傳感器精確測量空氣中的有害物質(zhì)成份，以清除一些潛在性風(fēng)險。

2.4 通訊系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是搜救機器人服務(wù)器與遠程監(jiān)控站中間信息互換的安全通道，關(guān)鍵承擔(dān)服務(wù)器與遠程操縱終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸[5]。因此，通信系統(tǒng)的速度以及穩(wěn)定程度對救援仿生機器人系統(tǒng)的性能具有一定的影響。首先，機器人需要將現(xiàn)場的畫面實時傳輸給遠程監(jiān)控站，以便遠程操控人員能夠及時的獲取現(xiàn)場情況以及機器人狀態(tài)。其次，各傳感器所采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)也需要發(fā)送給遠程監(jiān)控站，與圖像信息相結(jié)合，為遠程操控人員迅速做出有效的決策提供依據(jù)。最后，遠程操控人員在獲得信息后，需要通過控制站將控制信號發(fā)送給主機端，從而規(guī)劃機器人的行走路線，幫助機器人更好地完成輔助搜救工作。

由于不允許機器人出現(xiàn)失控的狀態(tài)，視頻畫面和紅外熱成像畫面對通信要求較高[6]，因此上傳的畫面通過ESP32自帶的WiFI模塊連接由路由器搭建的無線局域網(wǎng)絡(luò)，將圖像通過網(wǎng)絡(luò)直接傳輸回客戶端，避免了對其他數(shù)據(jù)的干擾和視頻的卡頓。其他的傳感器數(shù)據(jù)以及客戶端發(fā)出的指令信號則使用AS32模塊通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)進行傳輸，以此來保證該類信號在遠距離通信中的穩(wěn)定性。通訊系統(tǒng)具體流程如圖1所示。

圖1 通訊系統(tǒng)Fig.1 Communication system

3 救援仿生機器人軟件系統(tǒng)

為了實現(xiàn)基本搜救的要求以及提高芯片工作效率，在程序設(shè)計上采取了模塊化處理，設(shè)計了主要包括主程序、圖像采集模塊、紅外探測模塊、超聲波測距模塊、驅(qū)動模塊、GPS定位模塊、通訊模塊七個模塊。圖像采集模塊負責(zé)采集現(xiàn)場畫面并上傳到客戶端；紅外探測模塊主要負責(zé)采集熱成像畫面尋找生命體；超聲波測距模塊主要用來在行進過程中檢測前方障礙物；驅(qū)動模塊通過聯(lián)動控制各個舵機實現(xiàn)各種仿生動作；GPS定位模塊主要是在發(fā)現(xiàn)生命體時發(fā)送生命體位置；通訊模塊負責(zé)與客戶端遠程通信，接受指令，上傳數(shù)據(jù)。各個模塊運行的具體流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖Fig.2 Software flow chart

4 測試與分析

紅外熱成像儀通過區(qū)別人體與環(huán)境的輻射特性，將人體的輻射能量轉(zhuǎn)換成物理信號，通過成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成熱成像畫面[7]，來供救援人員判別是否有幸存者。它具有不受環(huán)境光照強度的影響、能耗低、準(zhǔn)確度高的特點，大大提高了搜救效率。為了檢測距離對紅外熱成像儀識別的影響，3名測試者被安排在了同一位置，表1記錄了紅外熱成像儀距離三名測試者不同位置檢測到的額頭溫度。由表1可以看出，紅外熱成像儀與人體距離越遠，檢測到的溫度越低，但是溫度下降趨勢較小，識別范圍足以滿足搜救要求。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)論和分析

本文以四足機器人為研究對象加以仿生學(xué)，使機器人具有一定的靈活性和穩(wěn)定性。搭載各種傳感器，使其具有穿越障礙物、搜尋幸存者、監(jiān)控周圍環(huán)境、精準(zhǔn)定位、實時傳輸現(xiàn)場畫面給遠程操控臺等能力。救援仿生機器人在危險的環(huán)境中發(fā)揮自身優(yōu)勢，為救援人員提供現(xiàn)場的有效信息輔助搜救工作的開展，盡最大可能保證救援人員的安全并且提高救援工作的效率。救援仿生機器人在災(zāi)后救援工作中具有一定的實用價值。

表1 不同距離人體額頭溫度測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of human forehead temperature at different distances

引用

[1] 陳洪富.城市房屋建筑裝修震害損失評估方法研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所,2008.

[2] 科技部印發(fā)《“十三五”公共安全科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》[J].中國應(yīng)急管理,2017(4):32-35.

[3] 陳媛.六足移動機器人的仿生機構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)分析[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2015.

[4] 趙爽宇.四足仿生機器人步態(tài)控制與切換策略分析[D].成都:電子科技大學(xué),2014.

[5] 陳煒,馬利,王立柱.救援機器人通信系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展研究綜述[J].消防科學(xué)與技術(shù),2016,35(8):1117-1120．

[6] 李爽,李佳學(xué),于春洋,等.災(zāi)后救援機器人的設(shè)計研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2021,37(1):26-30.

[7] 嚴(yán)鳳花,嚴(yán)興科,何天有.醫(yī)用紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用研究進展[J].紅外技術(shù),2014,36(6):433-438.